曾青松，王福強(qiáng)，薛瑞龍

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目背景和情況介紹

QICT二期項(xiàng)目位于巴基斯坦卡拉奇市卡西姆港，碼頭長(zhǎng)727 m，前沿水深-16.0 m，可靠泊10萬(wàn)噸級(jí)集裝箱船舶，項(xiàng)目投資1.62億美元，工期24個(gè)月。合同實(shí)施內(nèi)容主要包括727 m集裝箱碼頭岸線，港池挖泥、陸域形成、軟基處理、15萬(wàn)m2的道路堆場(chǎng)及配套管線設(shè)施。

當(dāng)時(shí)正逢國(guó)際物價(jià)急劇上漲時(shí)期，鋼材、水泥和油料的價(jià)格均已超出原來(lái)的預(yù)測(cè)，原投標(biāo)價(jià)格難以實(shí)施。因此，對(duì)原投標(biāo)方案進(jìn)行了優(yōu)化，將727 m長(zhǎng)碼頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化為鋼管板樁結(jié)構(gòu)，板樁墻用2 m直徑鋼管與AZ26板樁的組合體系代替原設(shè)計(jì)的2 m鉆孔灌注樁加鋼護(hù)筒連續(xù)布置結(jié)構(gòu)，相對(duì)于原設(shè)計(jì)減少了鋼材和鋼筋混凝土的用量，碼頭結(jié)構(gòu)總體造價(jià)降低了約2 200萬(wàn)美元，保證了項(xiàng)目的中標(biāo)。同時(shí)設(shè)計(jì)指導(dǎo)和施工配合，大大降低了工程實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)，加快了施工進(jìn)度，整個(gè)項(xiàng)目已于2010年12月順利完工。原設(shè)計(jì)和優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)形式分別見圖1和圖2。

1.2 主要地質(zhì)情況

第1層為密實(shí)的灰色粉質(zhì)細(xì)砂 （海洋沉積）。分布不均勻，大致分布在-13.1～-13.7 m區(qū)間，N=32。

第2層為極密實(shí)的，偶含貝類、粗礫石和稀疏粉質(zhì)黏土薄層的粉質(zhì)細(xì)砂。分布不均勻，大致分布在-13.7～-17.8 m區(qū)間，N=72。

第3層為極密實(shí)的，淺灰色的，偶含粉質(zhì)黏土薄層的粉質(zhì)細(xì)砂。分布不均勻，大致分布在-17.8～-20.7 m區(qū)間，N=82。

第4層為極密實(shí)的，淺黃色的，帶有細(xì)到中等礫石的砂性粉質(zhì)黏土。分布不均勻，大致分布在-20.7～-21.9 m區(qū)間，標(biāo)準(zhǔn)貫入器擊入土中70 mm時(shí)的錘擊數(shù)N=50。

第5層為極密實(shí)的，淺黃色和棕黃色的，不規(guī)則的中粗礫石和大量礫巖碎片的黏性礫石性粗砂。分布不均勻，大致分布在-21.9～-26.7 m區(qū)間，標(biāo)準(zhǔn)貫入器擊入土中70 mm時(shí)的錘擊數(shù)N=50。

第6層為極密實(shí)的，帶淺黃色斑點(diǎn)亮灰色的，偶帶細(xì)砂的粉質(zhì)黏土。分布不均勻，大致分布在-26.7～-31.0 m區(qū)間，標(biāo)準(zhǔn)貫入器擊入土中110 mm時(shí)的錘擊數(shù)N=50。

2 鋼管板樁組合體系的特點(diǎn)

鋼管板樁組合體系由3部分組成：鋼管樁、鋼板樁和鎖口，如圖2所示，3個(gè)部分的結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單有效，受力明確。

鋼管樁具有抗彎能力強(qiáng)的特點(diǎn)，作為組合體系中的主要受力構(gòu)件，承受碼頭后方全部的土壓力、水壓力，另外作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，還可以承受較大的豎向荷載。鋼板樁通過(guò)鎖扣與鋼管樁相連，鋼板樁承受管樁之間土拱范圍內(nèi)的土體壓力，并通過(guò)鎖扣將土壓力傳遞到鋼管樁，鋼板樁可較短，進(jìn)入墻前沖刷土層下即可。鋼板樁的剛度相對(duì)于鋼管樁較小，兩者通過(guò)鎖扣連接協(xié)調(diào)變形，鋼板樁分擔(dān)的彎矩非常有限，鋼板樁具有較低的抗彎性能即能滿足要求。

鋼管板樁組合體系結(jié)構(gòu)由于其獨(dú)特的截面和受力機(jī)制，在工程應(yīng)用中有如下特點(diǎn)[2]：

1） 斷面整體協(xié)調(diào)性能好，鋼管樁強(qiáng)度高，對(duì)各種水平和垂直載荷的適應(yīng)能力強(qiáng)，能很好地滿足水平抗彎和豎向承載力要求；

2） 通過(guò)加大鋼管樁直徑，可滿足泊位不斷深水化的發(fā)展趨勢(shì)，鋼材的用量增加非常有限；

3） 作為主體結(jié)構(gòu)的鋼管樁，容易滿足不同地質(zhì)條件下入土深度的要求；鋼板樁作為連接結(jié)構(gòu)，其自身為柔性結(jié)構(gòu)，對(duì)施工鋼管樁的不同偏位情況適應(yīng)性強(qiáng)；

4）鋼板樁為擋土結(jié)構(gòu)，入土深度要求不高，施工較簡(jiǎn)單；

5） 具有成熟易用的沉樁工藝，受天氣等因素影響小，水上、陸上均可方便施工，能有效控制和縮短工程時(shí)間。

3 工程整體施工步驟

1） 對(duì)表面淤泥進(jìn)行清淤，回填碼頭后方砂圍堰，施工倒濾層；

2） 碼頭組合樁體系的施工，回填部分塊石棱體；

3） 施工錨定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，澆筑樁芯混凝土，進(jìn)行拉桿安裝及張拉，施工后軌道梁灌注樁基礎(chǔ)，接著進(jìn)行墻后回填；

4） 對(duì)拉桿上部區(qū)域及錨定系統(tǒng)后方進(jìn)行回填；

5） 澆筑胸墻、后軌道梁；安裝鋼軌系統(tǒng)；施工碼頭面層結(jié)構(gòu)；安裝系纜、靠泊等相關(guān)設(shè)施。

工程整體施工后碼頭斷面見圖3。

4 鋼管板樁組合體系主要施工工藝

本工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)是前墻樁基工程的施工，前墻樁基施工是碼頭上部混凝土結(jié)構(gòu)和后軌樁基礎(chǔ)等后續(xù)工序展開的關(guān)鍵。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，為保證鎖扣能正常對(duì)接，保證板樁順利沉樁，鋼管樁的沉樁偏位不能大于100 mm，斜度小于1/75，相連兩樁中心距偏差不大于80 mm。而且查閱地質(zhì)資料可知，鋼管樁沉樁區(qū)域地質(zhì)條件比較復(fù)雜，而228根直徑2 m的鋼管樁需要穿透較厚的堅(jiān)硬地質(zhì)層，在-18~-21 m以下要穿透厚度6~9 m平均標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)大于80～120擊的砂礫石膠結(jié)土層（局部含塊石），施工難度極大。若按照傳統(tǒng)沉樁施工方法難以達(dá)到組合結(jié)構(gòu)的精度要求及設(shè)計(jì)要求的入土深度；而且本項(xiàng)目為海外工程，大型設(shè)備的調(diào)遣費(fèi)用極其昂貴，因此首先需要考慮合理利用好項(xiàng)目組在海外現(xiàn)有的設(shè)備以及施工習(xí)慣。能否保證鋼管樁穿透堅(jiān)硬的砂礫石層、保證沉樁偏位滿足設(shè)計(jì)要求從而保證按質(zhì)按時(shí)完成沉樁施工任務(wù)，成為項(xiàng)目能否成功的關(guān)鍵。

在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，以樁錘為切入點(diǎn)形成了兩個(gè)解決方案：A方案采用足夠大的打樁錘，一次沉樁到位；B方案采用現(xiàn)有的D128柴油錘，利用其他輔助措施減少沉樁阻力后進(jìn)行沉樁施工。

針對(duì)A方案，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況分析鋼管樁的可打性，采用沉樁GRLWEAP程序進(jìn)行了沉樁分析，得出結(jié)論：采用V400A液壓錘，壁厚24 mm的鋼管樁可滿足一次沉樁到位的要求。在對(duì)周邊國(guó)家市場(chǎng)上40 t的液壓錘進(jìn)行咨詢后，僅有一家公司擁有該型號(hào)的設(shè)備，但其工作任務(wù)相對(duì)飽滿，無(wú)法按項(xiàng)目沉樁的施工安排到場(chǎng)。因此又考慮了等能量的替代柴油錘D180，但該柴油錘在國(guó)內(nèi)的資源也比較有限，由于現(xiàn)有的打樁船的船型相對(duì)較舊，如替換成D180的柴油錘，樁架須做較大的改動(dòng)。但此改動(dòng)會(huì)令該船無(wú)法使用小型號(hào)的柴油錘，故施工單位也否定了D180柴油錘。

針對(duì)B方案，分析了打樁過(guò)程中樁的受力，認(rèn)為鋼管樁的樁端阻力和樁側(cè)摩阻力是樁錘需克服的主要外力。由于碼頭為板樁結(jié)構(gòu)，為了保證鋼管樁的抗彎性能及鋼管樁在沉樁過(guò)程中穿透貫入擊數(shù)大于80擊的砂礫石層達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，鋼管樁的壁厚無(wú)法改變，故無(wú)法減小其樁端阻力。該方案只能從減少樁內(nèi)側(cè)摩阻力方面考慮，也就是在初步穩(wěn)樁后（海床面標(biāo)高為-12 m，地質(zhì)資料顯示硬層面最高標(biāo)高為-18.0~-21.0 m。6~9 m的土層為粉質(zhì)黏土和密實(shí)砂層，具備施工期穩(wěn)樁的條件），利用旋挖鉆機(jī)或其他鉆孔施工設(shè)備，將樁內(nèi)土體取出，并預(yù)成孔至設(shè)計(jì)標(biāo)高以上1.0～2.0 m左右，然后再通過(guò)D128柴油錘將鋼管樁復(fù)沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高。該方案的優(yōu)點(diǎn)是，利用鉆孔設(shè)備取出樁內(nèi)土體，特別是影響施工的較厚砂礫石層的挖除，大大減少了沉樁過(guò)程中的側(cè)摩阻力，使較小能量樁錘進(jìn)行大直徑鋼管樁成為可能，沉樁施工實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)小。同時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)驗(yàn)算，在樁內(nèi)取土后，樁基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

最終，初步形成打、挖、復(fù)打的沉樁工藝意見，通過(guò)“打挖結(jié)合”的方法進(jìn)行沉樁施工。

總體施工工藝流程為：首先在鋼管樁岸側(cè)搭設(shè)臨時(shí)鋼棧橋，為旋挖鉆機(jī)提供一個(gè)樁內(nèi)鉆孔操作平臺(tái)，然后由打樁船初沉鋼管樁到堅(jiān)硬土層，利用旋挖鉆機(jī)逐根挖樁到指定標(biāo)高，打樁船再回頭復(fù)打鋼管樁到設(shè)計(jì)標(biāo)高。復(fù)打一定數(shù)量的鋼管樁后，緊接著施工兩樁之間的鋼板樁。

這樣的施工安排就讓鋼管樁初沉、旋挖鉆樁內(nèi)取土、復(fù)打鋼管樁和施打鋼板樁等工序形成流水作業(yè)，提高施工工效。施工流程為：施工準(zhǔn)備→臨時(shí)棧橋搭設(shè)→鋼管樁初沉→鋼管樁樁內(nèi)旋挖→鋼管樁復(fù)打到設(shè)計(jì)標(biāo)高→鋼板樁施工→施工驗(yàn)收→進(jìn)入下一施工工序。

1） 鋼管樁初沉

在初沉過(guò)程中，為了達(dá)到方案制定的標(biāo)高，鋼管樁初沉停錘時(shí)按照樁底標(biāo)高為主控制，樁底標(biāo)高必須達(dá)到-21 m，貫入度為輔，在貫入度為2 mm時(shí)停錘，初打總錘擊數(shù)控制在1 300擊左右。少數(shù)地質(zhì)復(fù)雜區(qū)域，樁錘擊數(shù)達(dá)到了1 600擊。采取以上措施控制沉樁，一般一根樁從運(yùn)樁船上取樁到初沉結(jié)束，需要2.5 h左右。樁位偏差基本控制在8 cm以內(nèi)。

2） 鋼管樁樁內(nèi)旋挖

鋼管樁初沉結(jié)束后，旋挖鉆機(jī)進(jìn)行樁內(nèi)取土作業(yè)。因?yàn)闂虻臉?biāo)高是固定的，旋挖鉆機(jī)自身能提升的高度以及樁的垂直度都影響旋挖鉆機(jī)的施工作業(yè)，因此在初沉樁過(guò)程中垂直度和標(biāo)高必須嚴(yán)格按照規(guī)定的指標(biāo)來(lái)控制。根據(jù)地層分布情況，結(jié)合鋼管樁承載力的要求，將挖孔底標(biāo)高按照高出鋼管樁設(shè)計(jì)底標(biāo)高1.0～2.0 m來(lái)控制。單根樁內(nèi)挖土深度約14.5 m，正常的作業(yè)時(shí)間在4～5 h，旋挖鉆的作業(yè)效率較高。

3） 鋼管樁復(fù)打

旋挖鉆機(jī)在鋼管樁內(nèi)掏渣到位后，對(duì)樁的垂直度、偏位進(jìn)行復(fù)查，根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)鋼管樁的垂直度進(jìn)行微調(diào)，在符合設(shè)計(jì)技術(shù)要求后，開始復(fù)打鋼管樁至設(shè)計(jì)底標(biāo)高-27.0 m，并以底標(biāo)高控制為主（底標(biāo)高控制誤差：+400 mm，-50 mm），貫入度為輔，停錘貫入度為2.5 mm。復(fù)打的錘擊數(shù)一般為700～800擊，平均貫入度8～10 mm。

4） 鋼板樁沉樁

鋼管樁復(fù)打到一定數(shù)量后，即可開始鋼板樁施工。鋼板樁施工主要利用臨時(shí)棧橋上的100 t履帶吊配備DZ90型振動(dòng)錘進(jìn)行。由于施工區(qū)域海風(fēng)較大，鋼板樁受海風(fēng)影響，插樁對(duì)位時(shí)擺動(dòng)幅度大，定位困難。為此專門為板樁施工設(shè)置了一個(gè)插樁對(duì)位操作平臺(tái)，同時(shí)加工鎖口導(dǎo)向滑槽準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)鋼板樁的鎖口與鋼管樁的鎖口的快速對(duì)接。

5 結(jié)語(yǔ)

鋼管板樁碼頭作為一種新型板樁結(jié)構(gòu)，能很好適應(yīng)各種復(fù)雜地質(zhì)條件，施工便捷，水平抗彎能力強(qiáng)，承載力高，可靠性高，特別是能運(yùn)用到大、中型碼頭上。而該結(jié)構(gòu)的樁基施工是碼頭上部混凝土結(jié)構(gòu)和后軌樁基礎(chǔ)等后續(xù)工序展開的關(guān)鍵，所以在海外現(xiàn)有的設(shè)備以及施工習(xí)慣的基礎(chǔ)上，采用“打挖結(jié)合”的方法進(jìn)行沉樁施工，保證了直徑2 m的鋼管樁在-18~-21 m以下穿透厚度6~9 m平均標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)大于80～120擊的砂礫石膠結(jié)土層（局部含塊石），并達(dá)到了該組合結(jié)構(gòu)的精度要求及設(shè)計(jì)要求的入土深度。

[1] 朱英，王福強(qiáng).鋼管板樁結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算方法研究[J].水運(yùn)工程，2011（10）：24-27.

[2] 王福強(qiáng)，李庭輝.鋼管板樁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其在深水碼頭中的成功實(shí)踐[J].港工技術(shù)，2010（6）：24-26.

[3] 劉廷忠，王耀國(guó).彈性介質(zhì)中板樁力位移分析法的研究[J].太原工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1994（3）：81-84.

[4]JTJ292—98，板樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].